专利名称：一种坝体浸润线监测模型试验装置及其试验方法
技术领域：
本发明涉及一种坝体浸润线监测模型试验装置及其试验方法。
背景技术：
土石坝中的心墙是坝体的防渗部分，在坝体的运行中主要起防渗作用，而大坝的稳定主要依靠上下游的坝壳来维持。因此，心墙的土料一般粘粒含量较大，平均粒径较小，渗透系数较低。由于坝壳料与心墙料的渗透系数相差过大，一般认为心墙上游侧的入渗水头就是库水位，即心墙的挡水位就是坝前的库水位。一般认为，库水位升降对坝体渗流场会引起变化。由于砂砾石坝壳渗透系数大，坝壳的浸润线随库水位的变化升降速度快且比较平缓；粘土心墙渗透系数小，心墙浸润线变化陡且慢，对水位升降响应迟缓得多。也就是说，渗透系数大对水位升降敏感、响应快，否则不敏感且影响慢。但经过一段时间后，浸润线的变化几乎都是一致的，相差不大。但根据部分工程监测资料发现浸润线随坝前水位升降滞后变化现象，且明显高于理论值，出现“倒虹吸”现象，而且这种现象在库水位稳定很长时间后并没有消失。在实际工程中，水库运行期会出现人防或坝体维修等紧急情况，需要快速放空库水。在水库放水过程中，坝体内产生不稳定渗流，常造成土石坝坝体滑坡事故。因此在实际工程中必须防止因库水位下降速度太快而导致这类事故的发生。为进行上游坝坡的稳定分析，需要确定库水位下降过程中各时段坝体浸润线的位置。同时坝体在蓄水的过程中也存在倒虹吸，也存在浸润线滞后现象。但目前还没有对上述现象监测的装置。由于理论分析和数值计算受参数选定、模型选取、本构关系等因素的影响极大，分析结果的合理性和代表性较难确定。现场试验工作受环境因素、人为因素等方面影响较大，难以对研究内容进行多工况试验分析。模型试验可使工程中发生的现象在实验室中再现出来，而且还可以对试验中的主要因素进行独立控制，故在分析倒虹吸现象的过程中，采用了室内砂槽模型试验进行研究。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种坝体浸润线监测模型试验装置及其试验方法，其通过坝体浸润线室内砂槽模型试验，观测浸润线在不同工况下的变化情况，研究浸润线滞后的主要影响因素及相关变化规律。模型采用均质土坝，通过变换模型坝体填筑密度，控制坝体渗透系数；观测在坝前水位变化情况下，坝体浸润线的变化情况，研究坝体渗透系数变化对坝体浸润线滞后的影响及其规律。同时可以监测蓄水和放水对坝体位移的影响。该装置可应用于多种构造形式及填筑类型的坝体浸润线的多工况室内模拟试验、研究。为实现上述目的，本发明采用下述技术方案:一种坝体浸润线监测模型试验装置，包括模型槽，模型槽一端设有连通至模型槽内的迎水侧排水机构，相对另一端设有连通至模型槽内的水位监测机构和背水侧排水机构，模型槽底部设有与其内部连通的进水机构；模型槽前侧设有与其内部连通的测压机构；模型槽内设有模型体，模型体上设有坝体位移监测机构。所述模型槽为上部开口的长方体结构，其前后侧面采用钢化玻璃板制作，其他面采用钢板作为受力构件；钢板之间通过焊接连成一整体。所述模型槽内表面上涂有一道防锈漆和一层水泥浆，用来防止钢板锈蚀、相对滑移和缝隙漏水；模型槽体内侧预先埋设橡皮条，防止坝体与模型槽接触面产生绕渗现象。
所述模型槽周体上设有若干加固钢条，钢条与模型槽通过螺栓锚固。所述模型体的截面为梯形坝体，所述坝体的上下游坝面采用土工布及砂卵石护坡，坝体的坝坡面坡率为1:1.4。所述迎水侧排水机构和背水侧排水机构分别对应包括迎水侧排水管和背水侧排水管，迎水侧排水管和背水侧排水管的一端均伸入到模型槽内，迎水侧排水管和背水侧排水管上分别对应设置有迎水侧排水阀门、迎水侧排水流量计、背水侧排水阀门和背水侧排水流量计。
所述水位监测机构包括监测管，监测管包括塑料监测管和竖形带刻度玻璃管；所述塑料监测管一端与模型槽内连通，另一端通过金属弯管与竖形带刻度玻璃管相连，整体形成U型管。所述进水机构包括进水管，所述进水管一端与模型槽内连通，另一端与调压水泵相连，进水管上设有进水阀门和进水流量计。所述测压机构包括设置于模型槽前侧上的若干测压管预留孔；每个测压管预留孔中均设有一根测压管，测压管包括金属直管及带刻度的有机玻璃管，金属直管和有机玻璃管之间用金属弯管连接；测压管进水段采用其上打孔的金属直管铺设于坝体下部；同时为保证管段进水孔不被堵塞，金属直管周围采用细石子环绕。所述坝体位移监测机构包括分别布置于坝体前后坝坡的一个高精度光栅尺。一种利用坝体浸润线监测模型试验装置的试验方法，步骤如下:一、模型制作( I)准备工作根据设计，制作模型槽，布设进、排水管、监测管及其附属部件；测得原土料的含水量，向土料里均匀加入通过计算得到的水量，使筑坝的粘土的含水量在最优含水率，制备完后养护24h ；控制干密度方法:按照设计好的干密度换算筑坝所需土料的重量；m土= P 干(1+ω)ν设式中m±、P τ、ω及Vs*别表示——所需土料质量、干密度、含水率、坝体设计体积；将计算的所需土料压实成相应体积，即可得到所需干密度的坝体；(2)铺底，安放测压管首先用土料填筑模型底部，根据要求压实，在相应的模型槽预留的测压管预留孔处反开挖土体，安放测压管，进水管段采用直径IOmm打孔金属管，同时为保证管段进水孔不被堵塞，管段采用细石子环绕，并填土压实使其固定；固定测压管后，继续填筑模型坝体，压实时需注意测压管，以防损坏；
(3)坝体填筑模型坝体尺寸根据模型比尺调整，本设计模型比尺采用λ, = λΗ = 40 ;λ ^和λ Η分别代表长度比尺和高度比尺；坝体按以下步骤填筑:①沿模型高度方向水平分层，土料每层铺筑10cm，由低向高分层填筑，控制每层压实均匀且密实，直至填筑结束；②及时清除土料中杂质，并根据土料实际情况调整土的选择和土量人工填筑夯实，夯实方法采用人工冲击板；在夯实过程中，注意边角处土层的密实程度，即注意土与槽壁玻璃板和底层钢板相接触的处理；④分层夯实后，对上表面划毛处理，以免土层之间接触不良；⑤模型填筑完毕后，对模型削坡处理；(4)模型坝壳填筑在粘土坝体上先铺置土工布防护，再填筑模型坝壳；坝体外壳料选取沙砾石，在实验过程中主要起到保护心墙的作用；(5)光栅尺安装前后坝坡各布置一个高精度光栅尺；安装时注意光栅尺的固定；二、试验步骤( I)首先关闭排水阀门，读取光栅尺读数；打开进水阀门，控制进水阀门开启大小，观测进水流量计读数，使水流注入坝体迎水侧，蓄水到最大蓄水高度，关闭进水阀门；稳定一段时间使坝体充分饱和，读取光栅尺读数，观测各测压管水位，直到稳定；
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(2)模拟水库放水，坝前水位下降的情况；当模型边坡达到饱和并且处于稳定状态后，开启迎水侧排水阀门进行放水，使坝前水位以一定的速度下降，通过控制迎水侧排水阀门的大小，观测迎水侧排水流量计读数，保持水位下降的速度均匀，直至降到最低水位；在放水的同时，观测记录各测压管的水位的变化；根据模型比尺，则模型试验观测的时间是相应的实际时间的1/40倍；在坝前水位下降过程中，采用I次/5分钟观测一次测压管的水位变化和光栅尺读数；等竖形玻璃管内水位稳定后，可以根据测压管水位变化情况减少观测次数，逐渐减少观测次数；(3)放水结束后，关闭迎水侧排水阀门，继续测压管水位的观测和光栅尺读数观测，直至稳定;(4)当测压管水位在4小时内不再变化，认为坝体浸润线稳定；量测各个时刻埋入坝体中各个测压管相应的水位值，绘制某一时刻坝内等水头线，得到坝内浸润线随时间的变化曲线并观察水位变化速度对浸润线产生的不同影响；对比光栅尺读数变化，绘制不同时段坝体的位移变化，得到一定的蓄水速率和排水速率对坝体位移产生的不同影响。本发明的模型材料及尺寸依据相似性力学原理及原型条件设计、制造模型和进行模型试验。为了研究的地下水渗流现象提出的模拟方法，基于相同的数学方程用其它介质所产生的类似物理现象来模拟。砂槽模型相似条件相似条件一:地下水渗流问题的研究，最直观的方法是砂槽模型试验。为使模型中的水流运动完全复演天然状态的水流，模型比尺必须基于一定的相似准则。
权利要求
1.一种坝体浸润线监测模型试验装置，其特征是，包括模型槽，模型槽一端设有连通至模型槽内的迎水侧排水机构，相对另一端设有连通至模型槽内的水位监测机构和背水侧排水机构，模型槽底部设有与其内部连通的进水机构；模型槽前侧设有与其内部连通的测压机构；模型槽内设有模型体，模型体上设有坝体位移监测机构。
2.如权利要求1所述的坝体浸润线监测模型试验装置，其特征是，所述模型槽为上部开口的长方体结构，其前后侧面采用钢化玻璃板制作，其他面采用钢板作为受力构件；钢板之间通过焊接连成一整体。
3.如权利要求1所述的坝体浸润线监测模型试验装置，其特征是，所述模型槽内表面上涂有一道防锈漆和一层水泥浆；模型槽体内侧埋设有橡皮条；所述模型槽周体上设有若干加固钢条，钢条与模型槽通过螺栓锚固。
4.如权利要求1所述的坝体浸润线监测模型试验装置，其特征是，所述模型体的截面为梯形坝体，所述坝体的上下游坝面采用土工布及砂卵石护坡，坝体的坝坡面坡率为1:1.4。
5.如权利要求1所述的坝体浸润线监测模型试验装置，其特征是，所述迎水侧排水机构和背水侧排水机构分别对应包括迎水侧排水管和背水侧排水管，迎水侧排水管和背水侧排水管的一端均伸入到模型槽内，迎水侧排水管和背水侧排水管上分别对应设置有迎水侧排水阀门、迎水侧排水流量计、背水侧排水阀门和背水侧排水流量计。
6.如权利要求1所述的坝体浸润线监测模型试验装置，其特征是，所述水位监测机构包括监测管，监测管包括塑料监测管和竖形带刻度玻璃管；所述塑料监测管一端与模型槽内连通，另一端通过金属弯管与竖形带刻度玻璃管相连，整体形成U型管。
7.如权利要求1所述的坝体浸润线监测模型试验装置，其特征是，所述进水机构包括进水管，所述进水管一端与模型槽内连通，另一端与调压水泵相连，进水管上设有进水阀门和进水流量计。
8.如权利要求1所述的坝体浸润线监测模型试验装置，其特征是，所述测压机构包括设置于模型槽前侧上的若干测压管预留孔；每个测压管预留孔中均设有一根测压管，测压管包括金属直管及带刻度的有机玻璃管，金属直管和有机玻璃管之间用金属弯管连接；测压管进水段采用其上打孔的金属直管铺设于坝体下部；金属直管周围采用细石子环绕。
9.如权利要求1所述的坝体浸润线监测模型试验装置，其特征是，所述坝体位移监测机构包括分别布置于坝体前后坝坡的一个高精度光栅尺。
10.一种利用权利要求1所述坝体浸润线监测模型试验装置的试验方法，其特征是，步骤如下: 一、模型制作 (I)准备工作 根据设计，制作模型槽，布设进、排水管、监测管及其附属部件； 测得原土料的含水量，向土料里均匀加入通过计算得到的水量，使筑坝的粘土的含水量在最优含水率，制备完后养护24h ； 控制干密度方法:按照设计好的干密度换算筑坝所需土料的重量；m土 = P 干(l+ω ) V设 式中、m±、P τ、ω及Vs*别表示——所需土料质量、干密度、含水率、坝体设计体积；将计算的所需土料压实成相应体积，即可得到所需干密度的坝体； (2)铺底,安放测压管 首先用土料填筑模型底部，根据要求压实，在相应的模型槽预留的测压管预留孔处反开挖土体，安放测压管，进水管段采用直径IOmm打孔金属管，同时为保证管段进水孔不被堵塞，管段采用细石子环绕，并填土压实使其固定；固定测压管后，继续填筑模型坝体，压实时需注意测压管，以防损坏； (3)坝体填筑 模型坝体尺寸根据模型比尺调整，本模型比尺采用λ, = λΗ = 40;λ,和λΗ分别代表长度比尺和高度比尺； 坝体按以下步骤填筑: ①沿模型高度方向水平分层，土料每层铺筑IOcm,由低向高分层填筑,控制每层压实均匀且密实，直至填筑结束及时清除土料中杂质，并根据土料实际情况调整土的选择和土量人工填筑夯实，夯实方法采用人工冲击板；在夯实过程中，注意边角处土层的密实程度，即注意土与槽壁玻璃板和底层钢板相接触的处理；④分层夯实后，对上表面划毛处理，以免土层之间接触不良；⑤模型填筑完毕后，对模型削坡处理； (4)模型坝壳填筑 在粘土坝体上先铺置土工布防护，再填筑模型坝壳；坝体外壳料选取沙砾石，在实验过程中主要起到保护心墙的作用； (5)光栅尺安装 前后坝坡各布置一个 高精度光栅尺；安装时注意光栅尺的固定； 二、试验步骤 (1)首先关闭排水阀门，读取光栅尺读数；打开进水阀门，控制进水阀门开启大小，观测进水流量计读数，使水流注入坝体迎水侧，蓄水到最大蓄水高度，关闭进水阀门；稳定一段时间使坝体充分饱和，读取光栅尺读数，观测各测压管水位，直到稳定； (2)模拟水库放水，坝前水位下降的情况；当模型边坡达到饱和并且处于稳定状态后，开启迎水侧排水阀门进行放水，使坝前水位以一定的速度下降，通过控制迎水侧排水阀门的大小，观测迎水侧排水流量计读数，保持水位下降的速度均匀，直至降到最低水位；在放水的同时，观测记录各测压管的水位的变化；根据模型比尺，则模型试验观测的时间是相应的实际时间的1/40倍；在坝前水位下降过程中，采用I次/5分钟观测一次测压管的水位变化和光栅尺读数；等竖形玻璃管内水位稳定后，可以根据测压管水位变化情况减少观测次数，逐渐减少观测次数； (3)放水结束后，关闭迎水侧排水阀门，继续测压管水位的观测和光栅尺读数观测，直至稳定； (4)当测压管水位在4小时内不再变化，认为坝体浸润线稳定；量测各个时刻埋入坝体中各个测压管相应的水位值，绘制某一时刻坝内等水头线，得到坝内浸润线随时间的变化曲线并观察水位变化速度对浸润线产生的不同影响；对比光栅尺读数变化，绘制不同时段坝体的位移变化，得到一定的蓄水速率和排水速率对坝体位移产生的不同影响。
全文摘要
本发明公开了一种坝体浸润线监测模型试验装置，包括模型槽，模型槽一端设有连通至模型槽内的迎水侧排水机构，相对另一端设有连通至模型槽内的水位监测机构和背水侧排水机构，模型槽底部设有与其内部连通的进水机构；模型槽前侧设有与其内部连通的测压机构；模型槽内设有模型体，模型体上设有坝体位移监测机构。同时本发明还公开了利用该装置的试验方法。本发明可应用于多种构造形式及填筑类型的坝体浸润线的多工况室内模拟试验、研究，其通过室内砂槽模型试验，观测浸润线在不同工况下的变化情况，研究浸润线滞后的主要影响因素及相关变化规律，为进一步的理论研究提供数据和参考。
文档编号G01F23/14GK103245391SQ201310164978
公开日2013年8月14日 申请日期2013年5月7日 优先权日2013年5月7日
发明者马秀媛, 宋修广, 孙洁, 吴建清, 臧亚囡, 金壮, 孙元帅 申请人:山东大学